Sa mère, Lillian, est nutritionniste et son père, Dean Martin, est un prêtre orthodoxe d'origine grec. Sa famille a dirigé un restaurant, Le Château de Sable, à Beachwood, New Jersey. Il obtient un diplôme de l'Université Yale en 1995.
Malgré des objections de sa famille, il arrête ses études juste avant d'avoir un diplôme en droit de l'Université de New York, pour poursuivre une carrière dans la comédie. Martin dira de l'événement :
-- Entrevue pour http://www.believermag.com.
Il s'est produit dans une majorité de pays anglophones (sauf en Afrique du Sud et en Nouvelle-Zélande). Il a reçu des prix pour ses spectacles en Amérique, en Écosse et en Australie. Il a participé à des shows télévisés, sur scène et dans le public.
De 2003 à 2004, il se consacre à l'écriture de Late Night with Conan O'Brien. Il écrit et se produit dans le Daily Show with Jon Stewart. Il a sorti un CD comique intitulé These Are Jokes (Ce sont des blagues) et un DVD intitulé Demetri Martin. Person. (Demetri Martin. Une personne.).
Demetri Martin écrit, produit et joué dans la série Important Things with Demetri Martin (Des choses importantes avec Demetri Martin) sur la chaîne Comedy Central.
Le 2 septembre 2007, Martin apparait dans la dernière saison de HBO de la série Flight of the Conchords. Il apparait comme un acteur nommé Demetri.
Il fait une apparition dans le film le
The Rocker (Le Fauteuil à bascule) mettant en vedette
Rainn Wilson.
Il est choisi par
Ang Lee pour tenir le rôle principal dans son film Hôtel Woodstock : il y est Elliot Tiber, un artiste gay qui a renoncé à ses ambitions dans la ville de Los Angeles pour se déplacer dans le fin fond de l'État et aider ses parents âgés qui dirigent leur motel depuis 20 ans.
Il jouera l'acteur principal dans Moon People ; un lancement qu'il a vendu aux Columbia Pictures. Il apparaîtra aussi dans le prochain film de Young Americans, dans qui il incarne un salarié de Goldman Sachs.
Il a aussi signé pour jouer Paul DePodesta dans l'adaptation du film sur le livre Moneyball. Le projet est maintenant en attente.